第七章 多相催化反应器设计

7.多相催化反应器的设计与分析

7.1 若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm 3,颗粒密度为1.8 g/cm 3

解:

1.2110.33331.8

0.20.6/0.3333=-

=-==

==空床

真正b p u u m s ρερε

7.2 为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm 的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m 3/h 的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒的等体积相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm 3,颗粒密度为2.6 g/cm 3.

解:

()23

55302

3

101.3101.3/,1, 1.185/1.8710 1.8710/,4101

0.03685/36000.785(0.098)

1.45

110.4423

2.60

1---==⋅===⨯⋅=⨯⋅=⨯=

=⨯=-=-=-2r 0L u 由(7.1)式p=f

v b p p p Pa kg m s Lr m kg m Pa s kg m s d m

u m s d ρμρερρεε∆∆

根据(6.4)式可推导出ψa=dp/dv,式中dp 为等比外表面积相当直径,dv 为等体积相当直径.

()()

330331(1)1150(1)

(7.2) 1.75150 1.75(2)Re 101.3(410)(0.4423)/1 1.185(0.03685)-- ∴ = -- =

+=⨯+ =⨯⨯2r 02

r 0L u p f

p=f 即L u 由式将有关数值代入(1)和(2)式得:f

v a v a a v a

d d f d u ρεεψεψρεμεψρ

ψ∆∆233

(10.4423)39.07(3)

1.8310(10.4423)8.778

150 1.75 1.75(4)(410)0.03685 1.185---= ⨯-=⨯+=+ ⨯⨯⨯a a

f ψψ

(3),(4):8.778/ 1.7539.07,1.758.7780

0.4969

+= --= =2

a 式联立将此式变为:

39.07解此方程得:a a a a ψψψψψ

7.3 由直径为3mm 的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应,基于催化剂颗粒体积计算的反应速率常数为0.8s -1,有效扩散系数为0.013cm 2/s,当床层高度为2m 时,可达到所要求的转化率.为了减小床层的压力降,改用直径为6mm 的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计算:

(1) (1) 催化剂床层高度;

(2) (2) 床层压力降减小的百分率.

解(1)求dp 为6mm 的床层高度L 2,已知数据:dp 1=3mm=0.3cm,dp 2=0.6cm,L 1=2m, kp=0.8s -1,De=0.013cm 2

/s

001112

221

00

211221

110.3922

30.92

10.7845

30.756

=====⨯====⨯==⎰

⎰求得求得Af

Af x A A

r A x r A A

A F dx L V R L V F dx R ηηηηϕηϕη

12120.922 2.430.756∴=

=⨯=L L m ηη

(2)求床层压力降减小的百分率:

()()22

10201122

33

1211,--= =p p L u L u p f p f d d ρερεεε∆∆

假定床层的空隙率不变,则有:

112

12221

= (1)p p f L d p p f L d ∆∆

层流流动时:

01

212

1501150Re /(2)-==⨯∴

= p p p f d u f d d f εμ

ρ

(1),(2)式联立:

2

2

122

2112211

2120.6/2 3.2252.430.3/2⎛⎫⎛⎫=

=== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭p p p p p p L d d d p L p L d d L d ∆∆

床层压力降减少的百分率为:

121 3.2251

0.689968.99%3.225--===p p p ∆∆∆

7.4 拟设计一多段间接换热式二氧化硫催化氧化反应器,每小时处理原料气35000m 3(标准状况下),组成为SO 2:7.5%;O 2:10.5%;N 2:82%.采用直径5mm 高10mm 的圆柱形催化剂共80m 3,取平均操作压力为0.1216Mpa,平均操作温度为733K,混合气体的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空气计算.

解:由(7.1)式

()3

1-2r 0L u p=f

p d ρεε∆

根据题给条件有:

107330.1013

350002730.121321.75/3600-⨯⨯

=

=u A m s A

上式中A —床层截面积,m 2.

1212

1/3

1/3

2

380/80660.785(0.005)0.01 6.0051020.785(0.005) 4.140.0050.01

660.785(0.005)0.017.215103.142---==⨯⨯=

==⨯⨯+⨯⨯⎡⎤

⎛⎫⨯⨯===⨯ ⎪

⎢⎥

⎝⎭

⎣⎦

p p p

p v L A A m V d m a V d m

π

在题(7.1)中已推导出

/=a p v

d d ψ,因此有:

3

3

6.005100.8323

7.21510--⨯==⨯a ψ

查”无机化工反应工程”P108图4-1得ε=0.45,混合气的物性数据按空气计算误差不大,733K 下,ρ=0.4832kg/m 3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:

531

0150(1)150 3.410(10.45)

1.75150 1.75 1.75Re 6.00510(21.75)0.48320.04444 1.75

----⨯⨯-=+=⨯+=+⨯⨯ =+p f d u A A μερ11233

3800.4832(21.75)(10.45)(0.04444 1.75) 1.8386.005100.45

(0.04444 1.75)----⨯-∴=+=⨯⨯ ⨯+ A A p A A A Pa ∆

要求△P<4052Pa 则有4052>1.838×107A -3(0.0444A+1.75)

80

3.43123.32=

=L m

7.5 多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:

组分 NH 3 N 2 H 2 Ar CH 4 % 2.09 21.82 66.00 2.45 7.63 (1) (1) 计算氨分解基(或称无氨基)进塔原料气组成:

(2) (2) 若进第一段的原料气温度为407℃,求第一段的绝热操作线方程,方程中的组成分别用氨的转化率及氨含量来表示.反应气体的平均热容按33.08 J/molK 计算.反应热△Hr=-5358J/molNH 3

(3) (3) 计算出口氨含量为10%时的床层出口温度,按考虑反应过程总摩尔数变化与忽略反应过程总摩尔数变化两种情况分别计算,并比较计算结果. 解:(1)计算氨分解基气体组成: